看穿化石的透视眼

来源 :大科技·科学之谜 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nvhuang123
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  一提起古生物学家,我们头脑里就免不了浮现出一个拿着锤子、凿子小心翼翼地对着石头敲敲打打的学者形象。
  可是在过去不到10年的时间里,在古生物学和人类学领域,一场技术上的革命已经悄然兴起。借助于先进的X射线断层摄影术,也就是我们通常所说的CT,他们不需要把化石从它所藏身的石头中完全“雕镂”出来就可以研究化石;可以随心所欲地从任意角度去观察它;甚至不用把化石剖开,即可观察到它的内部结构。这项新技术赋予古生物学家以前所未有的精度去研究化石,从中得到关于史前动物以何种方式生活、生长的许多细节知识。
  CT改变了一切
  尽管X射线自1895年被发现以来就已经被用于分析化石,但其图像质量在此后近一百多年里几乎没有什么提高。直到2004年,一位古生物学界的权威人士还发表文章说,他看不出X射线成像对于古生物学研究有什么用处,言外之意就是,锤子和凿子更管用。
  但CT的出现却改变了一切。CT最初的、也是目前最广泛的应用是在医学上。X射线具有很强的穿透性,穿透量与其通过的路径上材料的总密度有关。当用X射线从数百个角度照射一个物体,就会产生大量数据,根据这些数据,利用软件可以计算出物体内部每一点的密度,由此描绘出它内部构造的3D图。然后,研究人员可以转动这个“虚拟物体”,从任意角度观察它;为了考察细部,可以随意放大;或者为了了解它的内部,可以把它“剖开”。
  而对于古生物学来说,由于涉及的样品大多数是石质材料,密度较高,所以所需的X射线能量比医用X射线要高得多,为的是从任何角度都能穿透化石,只有同步粒子加速器产生的X射线才能满足这么高的能量要求。此外,为了确定化石中每一点的密度,需要涉及大量计算,所以对计算机的性能也提出很高要求。
  这些条件直到近年才逐一具备,并且随着相关技术的日新月异,这项技术也在突飞猛进。譬如说在5年前,要给一个立方的物体“拍摄”8亿像素的3D图,需要花7周的时间,但现在40分钟就可以了。再者,起初因为从同步粒子加速器中引出的X射线是高度聚焦的,光斑很小,不能用来给大物体成像。但现在人们已经研制出用发散的X射线成像的CT扫描仪,在一个例子中已经成功地给4吨重的恐龙干尸拍摄了3D图。
  CT能为古生物学家做什么?
  这项技术极大地拓展了可供研究的化石范围。譬如说,许多化石因为太复杂、太脆弱,要用传统的锤子、凿子从它所在的岩石中剥离出来,几乎是不可能的。而现在,古生物学家无需把化石轮廓分明地剥离出来,只要把藏有化石的整块岩石搬回家,然后用CT一扫描,里面的化石图像就跃然出现在电脑屏幕上。
  一位法国科学家近来用高能X射线扫描了数百块不透明的琥珀,在短短4天里找到了356个内含物,其中包括蜗牛、螳螂等。换成传统的办法,恐怕对此是束手无策的。
  不过也许CT最具革命性的应用是,它能在不打碎化石的情况下,让我们一窥其内部结构。譬如说,动物的牙齿每天都会沉淀下一层新的牙质,就像树的年轮一样记录下了它们生活中像疾病、断奶等大事。为了了解史前动物的生长和发育情况,我们需要研究牙齿,而按传统的方法,只能把牙齿锯开,但这势必就破坏了化石的完整性。而现在古生物学家只需对牙齿做CT扫描,在没造成任何损伤的情况下,即可得到牙齿的3D图像,然后随意地观察它,对其内部一览无余。在过去30年里,用传统方法剖开的动物牙齿不到30颗,而CT技术出现后,仅在过去2年里,就分析了近150多颗。
  最近,有科学家通过对飞龙的化石扫描发现,在现代鸟类中发现的气囊和中空骨头其实最早出现于飞龙。这说明这种对鸟类的飞行技能至关重要的呼吸系统,其在进化史上出现的时间远比我们原先想象的要早。此外,许多化石的内部结构,比如10亿年前蠕虫化石胚胎、鱼脑化石中的视神经以及恐龙干尸中的脊椎间距等,都是在过去3年里利用CT得到的。
  现在阻碍CT在考古上应用的一个主要因素是造价高昂,在世界上仅有少数的几台同步粒子加速器可供开展此类工作。但未来随着更多的机构投资建造,这一挡路石将会消失,那时CT扫描将成为古生物学家常规工作的一部分。将来,延续使用了几百年的锤子和凿子,将仅限于在野外初步采集之用。为了让化石现形,古生物学家再也不需要对化石“精雕细琢”啦。
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